Testy młotkiem modalnym – warunki testowe [część 2]

Testy z wykorzystaniem młotka modalnego pozwalają na wyznaczanie odpowiedzi dynamicznej układu. Badany obiekt może znajdować się w pewnych charakterystycznych dla niego warunkach, co ma diametralny wpływ na drgania struktury. W tym artykule przedstawione zostaną najczęściej spotykane warunki przeprowadzania testów z młotkiem modalnym.

WARUNKI OPERACYJNE

Impact testing przeprowadzony w warunkach operacyjnych przewiduje odzwierciedlenie rzeczywistych warunków brzegowych nałożonych na daną strukturę. Polega to na zastosowaniu docelowego sposobu montażu dla danego elementu. W miejscach nałożenia warunków brzegowych powstają węzły, które wpływają na postaci drgań własnych. Dodatkowo, skutkuje to usztywnieniem struktury, co prowadzi do zwiększenia się częstotliwości rezonansowych. Montaż elementów może wprowadzać także naprężenia wstępne (np. moment dokręcenia śrub mocujących), które mają wpływ na odpowiedź dynamiczną struktury.

DRGANIA SWOBODNE

Odmienne podejście stosuje się, gdy potrzebne jest poznanie odpowiedzi pojedynczego elementu w odosobnieniu od docelowego układu. W takim przypadku w trakcie przeprowadzania testów z użyciem młotka modalnego pomiarowi poddane są wibracje swobodne obiektu. W celu umożliwienia strukturze drgania w sposób niezależny od otoczenia, należy zadbać o odpowiednie warunki brzegowe. W trakcie testu zazwyczaj stosowane jest podwieszenie badanej struktury na cienkiej, sztywnej i nierozciągliwej linie. Takie zamocowanie sprawia, że drgania obiektu nie napotykają na żadną przeszkodę, która mogłaby powodować ich dodatkowe tłumienie lub zmianę postaci drgań własnych.

Alternatywnym rozwiązaniem, które można wykorzystać w badaniu drgań swobodnych struktury jest użycie miękkiej gąbki, na której spoczywa testowany obiekt, stanowiącej rolę izolacji od podłoża.

Warto zwrócić uwagę na fakt, iż gąbka ma swoją określoną sztywność, natomiast podwieszony na linie obiekt stanowi wahadło. Czynnikiem, który należy uwzględnić planując badanie obiektu drgającego swobodnie jest częstotliwość drgań własnych powstałego w taki sposób oscylatora harmonicznego. Powinna ona być możliwie niska tak, aby jak najbardziej odbiegała od częstotliwości własnych badanego obiektu. Wtedy częstotliwość oscylacji układu nie wzbudza testowanego obiektu i nie ma wpływu na wyniki identyfikacji struktury. Analizując model prostego oscylatora harmonicznego można wywnioskować, że gąbka powinna być możliwie podatna (o niskiej sztywności). W przypadku podwieszenia na linie, upraszczając badany obiekt do punktu masowego, można skorzystać ze wzoru na częstotliwość drgań wahadła matematycznego:

gdzie:

• f – częstotliwość drgań wahadła
• g – przyspieszenie grawitacyjne
• l – długość wahadła

Na jego podstawie można dobrać odpowiednią długość liny stanowiącej ramię wahadła tak, aby utrzymać częstotliwość wahań na odpowiednim poziomie.

Na powyższej fotografii widać testowaną przy użyciu młotka modalnego przykładową strukturę, którą umieszczono na izolującej od podłoża piance. Odpowiedź obiektu została zarejestrowana przy pomocy akcelerometrów. Na jej podstawie utworzono wykres FRF dla kierunku pionowego.

Na podstawie FRF można wyciągnąć wnioski, że w zakresie pomiarowym występuje pięć częstotliwości rezonansowych, którym odpowiadają piki na wykresie. Analizując otrzymane wyniki testu bardziej wnikliwie można zauważyć także niewielki wzrost funkcji odpowiedzi dla 19 Hz. Jest to częstotliwość, w której struktura nie wchodzi w stan rezonansu, lecz zachowuje się jak ciało sztywne. Odnotowane przez czujniki wibracje stanowią drgania oscylatora harmonicznego, który powstał jako masa testowanego obiektu spoczywająca na gąbce o danej sztywności.

Dodatkowo, warto zauważyć, że owa częstotliwość (19 Hz) w znacznym stopniu odbiega od pierwszej częstotliwości rezonansowej struktury (1062 Hz), co świadczy o poprawnym doborze współczynnika sztywności pianki.

PODSUMOWANIE

W artykule omówiono dwa główne podejścia: testy w warunkach operacyjnych, które odwzorowują rzeczywiste obciążenia i montaż, oraz testy drgań swobodnych, pozwalające na analizę pojedynczych elementów w izolacji. W obu przypadkach ważne jest odpowiednie uwzględnienie warunków brzegowych, aby wyniki testów były jak najbardziej reprezentatywne. Dzięki tym metodom możliwe jest precyzyjne określenie charakterystyki dynamicznej obiektów, co ma istotne znaczenie w projektowaniu i optymalizacji konstrukcji inżynierskich.